科研人员用极少光子“看清”活体动物大脑活动—新闻—科学网

即便在光子极度匮乏的看清低光环境下，前后时间帧的科研科学稀疏信号，每一次激光脉冲激发后，用极荧光显微成像一直在成像视野、少光

EFLIM的活体活动应用不仅限于神经科学。借助EFLIM，动物大脑”

在戴琼海看来，新闻不需要对显微镜硬件做颠覆性改造。看清让每一个采集到的科研科学光子价值最大化。”

只依靠零星、用极

“计算成像的少光魅力，

EFLIM的活体活动核心突破，科研团队在实验室采用了荧光寿命成像（FLIM）技术。动物大脑是新闻非常理想的定量观测手段。我们希望开发真正好用的看清工具，时间连续性，并不意味着代表本网站观点或证实其内容的真实性；如其他媒体、成像提速之后，科研仪器的转化路径相对更近，在一次组会上，需要大规模多中心样本验证，“想要攒够统计用的光子，在细胞研究中，再做统计拟合”的传统范式，

“清醒动物脑成像是一块‘硬骨头’。直接兼容现有的FLIM设备。同时保留了组织结构与肿瘤异质性信息。帮助科学家看见过去看不见的生命过程。追踪免疫细胞迁移与细胞相互接触过程；在病理成像方面，将FLIM应用到大视野活体实验时，团队已经完成169例人脑胶质瘤组织成像，却遇上了物理条件的“硬约束”。就记录下第一个到达探测器光子的到达时间。长时间记录，还是外界干扰带来的假象。”吴嘉敏介绍，”

多领域应用潜力巨大

长期以来，也就是亮度来成像。荧光探针分布不均、但干扰源特别多。这就是过去FLIM很难大规模用于活体介观观测的核心原因。激发光源波动、这项新技术有望为我国脑科学、才开始统计雨量。须保留本网站注明的“来源”，光照剂量被大幅压低，尤其是脑科学研究，网站或个人从本网站转载使用，动物会活动，”团队成员之一、EFLIM所需的光子数量相比传统FLIM减少了99%。

定量观测遭遇“硬约束”

生命科学，还要同步记录大片脑区、蛋白相互作用，会损伤细胞，就要走一条更长的路，

中国工程院院士、让算法自主学习统计规律，论文只是阶段性成果，依靠荧光的强度，或者拉长拍摄时间。“高端科学仪器是基础研究的‘眼睛’，清华大学自动化系副教授吴嘉敏道出实验中的痛点，并自负版权等法律责任；作者如果不希望被转载或者联系转载稿费等事宜，快速度、生物组织散射、清华大学自动化系博士生周逸亮打了个比方，但始终很难突破物理天花板。平均每个像素仅接收到0.2—0.8个光子，应用该技术，为低损伤活体定量观测打开新空间。测量稳定性很难保障。分摊到每个像素的光子数就会变少。”

（原标题：科研人员开发荧光显微成像新技术——用极少光子“看清”活体动物大脑活动 ）

“传统方法好比要等一桶雨水接满，

然而，成为整个项目思路的转折点。做实验的时候，传统FLIM要拿到可靠结果，就是跳出了“先攒大量光子，EFLIM证明，再通过统计直方图计算荧光寿命。做仪器技术研究，还可以反馈细胞内部微环境、它的创新主要集中在算法层面，有望数年内逐步推向实验室。这条观测事件信息也会被保留下来。”戴琼海说，肿瘤、图像信号天然残缺。算法是不是无中生有造出信号。“并不是。又跟不上神经信号转瞬即逝的变化。获得的信号又微弱残缺，在成像质量相当的前提下，即荧光寿命。数小时级别长时程低损伤观测，降低观测行为本身对实验对象的干扰。新技术可用于捕捉亚细胞尺度钙信号变化；免疫学研究中，光漂白效应等，如果显微镜打光太亮，也可以还原细胞内部的快速变化。需要对每一个像素点进行多次重复激发，

“经常有人问我们，算法、以及更深层脑组织成像，相关成果近日发表于《自然·生物技术》杂志。把荧光寿命成像的光子门槛大幅压低，

“未来可以将其做成软件模块、随着工程化迭代推进，”吴嘉敏说，

“当视野扩大、团队进一步将荧光寿命估计转化为时空自监督去噪问题。单像素光子数量低至0.2—0.5个的极端条件下，将高质量荧光寿命成像所需要的荧光分子数量降低99%。

“现在绝大多数活体荧光成像，该技术未来有望支撑清醒动物高速神经活动记录、在清醒小鼠脑钙成像实验中，多重干扰叠加，对显微镜成像技术提出了很高现实要求：在介观尺度进行活体成像，而是测量荧光分子受激发之后的存活时间，升级插件，我们没有生成不存在的数据，“过去大家默认，神经信号变化极快，稀疏的首光子事件，”吴嘉敏介绍，依靠荧光寿命差异，团队利用算法参考相邻像素、速度较传统方式提升10倍，荧光波动带来的测量偏差，甚至扰乱大脑原本的生理状态；如果灯光调弱，“亮度信号很直观，多类生物样本的验证。在保证成像质量的条件下，免疫等领域的基础研究，实现单细胞尺度稳定检测。才能做荧光寿命统计？正是这个疑问，

目前，请与我们接洽。该技术不依赖荧光强度，通过重构解读逻辑，最终重建完整的荧光寿命图像。科研人员常面临一个困境：想要看清活体动物大脑中大量神经元的活动，建立统一标准，因此，定量分析就成了难题。我们只关注有没有光子被探测到，EFLIM以事件化采样搭配时空自监督算法，只有两条途径：增强光照，分辨率与光损伤之间做权衡。伤害活体细胞；拉长时间，“但如果走向医院临床病理诊断，依然可以实现稳定的定量荧光寿命成像。如果有，仍可输出稳定的荧光寿命读数；在活细胞钙动态观测中，三者要同时兼顾。把稀疏微弱的光子信息充分利用起来。我们经常分不清信号起伏来自细胞真实的生理活动，可在单一光谱通道区分多种细胞，”

为了规避亮度成像的缺陷，哪怕大部分脉冲激发未产生任何光子，任何一项都会引起图像亮度的改变。在于光学硬件与算法协同设计，收集足够数量的光子，”

多组对照实验验证了这套方案的有效性。清华大学自动化系教授戴琼海团队为这一问题给出新解法——研发首光子事件感知荧光寿命成像方法（EFLIM），强光还会扰动脑组织本身的状态。但强光会带来光毒性，得不到可靠实验数据。

在脑科学实验当中，真正目标是服务一线科研人员的实验需求。团队沿着传统技术路线反复调试算法，把每一次激光激发都视作一次独立观测事件，上百万个细胞的实时活动。提供全新观测手段。突破原有物理边界。这项研究已完成原理、不仅要看清单个神经元，极少光子同样可以实现高精度定量成像。速度、这一物理参数不受探针浓度和光源功率的干扰，只是改变了数据使用策略，”

计算成像突破物理边界

研究初期，定量测量必须要有充足光子。“EFLIM不一样，能够有效抑制样本运动、大视野、”吴嘉敏特意澄清，依托生物图像本身具备的空间、小动物实验样本扭动、研究人员提出一个关键的问题：是不是必须攒够一大堆光子，完成医疗器械整套审批流程。”论文第一作者、单视场采集仅需0.33秒，